MEMS光纤法珀压力传感器的设计及解调方法实现

基于外界压力引起敏感膜片形变导致腔长变化来实现压力信号传感的原理,提出了一种MEMS光纤法珀压力传感器的设计,建立了传感器敏感膜片的挠度变化与膜厚、半径及施加压力的关系理论模型,并在此基础上进行了膜片的MATLAB二维数值仿真和Comsol Multiphysics三维数值仿真,并完成了FP压力敏感头的制作,进而设计了能够应用于光纤传感的解调方法,搭建了光纤传感的压力测试系统并进行了相关实验,利用所设计的解调方法对实验数据进行处理,进而对压力传感器的性能及特性进行了测试和验证。实验结果表明,传感器测试曲线线性度良好,与数值仿真结果基本一致,在100 kPa的量程范围内其灵敏度可达62.3 nm/kPa,温度敏感系数为0.023μm/℃,测量精度3.93%,且最小压强分辨率为1.29 kPa,证实了该MEMS光纤法珀压力传感系统具有一定的可行性。     

基于可调谐激光器的光纤法珀振动传感器解调技术

针对非本征型光纤法珀干涉仪动态解调,研究了一种基于可调谐激光器的双波长正交相位解调方案。可调谐激光器具有波长切换速度快、调谐范围广的特点,克服了传统双波长正交相位解调中光功率不平衡和直流分量难以计算的问题。利用可调谐激光器宽范围的线性扫描(1530-1560 nm)得到EFPI传感器的干涉谱,通过干涉谱计算出EFPI传感器的初始腔长122.581μm和直流分量3.4 V,同时确定两正交波长,然后利用反正切原理对EFPI传感器的腔长进行解调。搭建双波长正交相位解调系统,在2.25 kHz的频率以及不同的加速度下,对EFPI振动传感器进行解调。结果表明,该系统可实现不同腔长变化量的解调。     

基于FPGA的可调谐激光器控制电路设计

可调谐激光器是光纤光栅解调系统中最主要的部件之一,其输出波长和功率的稳定性影响整个解调系统的性能;文中对MG-Y可调谐激光器的调谐原理进行了分析,设计了一种基于FPGA的可调谐激光器控制电路;使用温度控制芯片ADN8834对MG-Y激光器进行温度控制,通过改变电流源的输出电流,控制激光器的输出波长;利用光谱分析仪采集激光器的输出波长,并对激光器的输出波长进行标定,制作“波长-电流”查询表;FPGA通过调用“波长-电流”查询表,实现激光器的波长在1527~1567 nm范围内以20 pm间隔连续线性扫描。同时搭建光纤布拉格光栅解调系统,验证了可调谐激光器解调光纤光栅中心波长的可行性。     

基于FBG温度解耦的光纤法布里-珀罗 高温压力传感器

本文提出了一种基于光纤布拉格光栅(FBG)温度解耦方法的光纤法珀(FP)压力传感器,该传感器采用低温共烧陶瓷(LTCC)技术实现批量化制作.通过在膜片式压力传感器的基础上集成光纤布拉格光栅(FBG),实现温度、压力双参数测量;提出温度解耦方法,对传感器进行温度补偿及压力测量结果的修正.实验结果表明,在20～300℃的温度范围内, FBG温度传感器的灵敏度为0.012 nm/℃,在160 kPa的压力范围内,压力测量灵敏度约为0.1μm/kPa, 3次重复实验的重复性误差和非线性误差分别约为5.6%和1.3%,温度系数为0.018μm/℃,压力灵敏度随温度变化为0.283 nm/(kPa·℃),同时,采用温度解耦方法,得到压力计算值与真实值最大偏差小于2.5 kPa.     

基于MG-Y激光器的光纤法珀传感器信号处理系统北大核心CSCD

针对目前光纤法珀传感器腔长解调系统复杂的问题,提出了一种以MG-Y可调谐激光器为扫描光源的光纤法珀传感器信号处理系统。该系统利用FPGA主控芯片驱动MG-Y激光器实现C波段的线性扫描,同时将光谱信号以触发采样的方式转化为电学信号传送到上位机,设计LabVIEW上位机实现傅里叶频率测量法与最小二乘拟合法运算,最终完成传感器腔长的解调。在实验中使用该系统对不同腔长的光纤法珀传感器进行解调运算,并将解调结果与光谱分析仪解调结果进行对比,实验表明二者具有较好的一致性,在不损失精度的情况下实现了解调系统的小型化。     

一种SOI高温压力传感器敏感芯片

从传感器的受力结构、能量转化结构和金属引线三个方面对SOI压阻式压力传感器芯片进行高温设计,计算出每个因素所造成的影响并与外部气压对传感器造成的影响进行对比,并给出了压阻的工艺尺寸和掺杂浓度。通过工艺制备和封装,研制出耐高温压力传感器芯片,常温压力测试结果表明传感器敏感芯片在常温下灵敏度较高,非线性误差在0.1%以下,迟滞性小于0.5%。高温下的性能测试结果表明,传感器可以用于350℃恶劣环境条件下的压力测量,为压阻式高温压力芯片的研制提供了参考。     

基于MZ干涉仪的光纤法珀传感器解调方法

该文研究了一种基于马赫曾德尔干涉仪(MZI)结构的光纤法珀(FP)传感器扫描式互相关解调方法。解调系统中的光源采用C+L波段放大自发辐射(ASE)宽带光源,用于匹配FP腔的MZI采用可调光纤延时线与压电陶瓷(PZT)式光纤相位调制器等集成光学器件构成,解调系统整体实现相对简便。实验中搭建的MZI,其臂长差在16.8 cm范围内连续可调,并可在15 μm范围实现重复扫描,扫描速度达到50 Hz。理论仿真分析及实验验证表明,该套解调系统可以实现对FP传感器的信号解调。     

基于 Parylene 膜的法 珀干涉型光纤超声水听器

针对高强度聚焦超声(HIFU)声场测量,提出并研究了一种基于Parylene膜的法-珀干涉型光纤水听器。采用真空气相沉积法在光纤的端面蒸镀Parylene膜构成光纤水听器的法-珀腔,分析了光纤水听器的传感原理和解调原理,建立了HIFU声场检测的实验系统。实验结果表明,基于Parylene膜的法-珀干涉型光纤水听器能准确传感超声信号,其输出与换能器驱动电压的非线性度小于0.01,且与聚偏氟乙烯(PVDF)针式水听器的测量结果基本一致。     

发动机进气总温总压光纤复合探针设计（特邀）

针对发动机进气口总温总压测量的需求,设计了一种滞止罩式总温总压光纤复合探针。首先,利用有限元法对探针结构进行气动仿真,分析了探针结构参数对测量结果的影响。在此基础上,制造了总温总压光纤复合探针,并搭建了静态测试系统测试了其工作性能。实验结果表明,总温总压光纤复合探针可以工作在150 ℃,0.25 MPa的温压复合环境中,在常温至150 ℃范围内总压传感器的最大非线性度为0.5%,常压环境下总温传感器最大非线性度为4.04%。最后,根据温度数据完成了压力参数的温度解耦,全温区压力测量误差不超过1.55%。设计的总温总压光纤复合探针直径为5 mm,有效减少了探针对流场的干扰。     

碳化硅直接键合机理及其力学性能研究

随着碳化硅(SiC)材料的MEMS器件在恶劣环境测量中的应用前景和迫切需求,进行了碳化硅的直接键合实验.研究了工艺条件对键合样品力学性能的影响,同时借助激光共聚焦扫描显微镜(CLSM)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和拉曼光谱仪等对碳化硅键合样品界面的微观结构进行了分析.结果表明:退火温度和加载压力是影响键合效果的关键性因素.当退火温度为1 300℃,加载压力为3 MPa和退火时间为3 h时,此时键合样品的气密性非常好,力学性能达到最佳,键合强度2 MPa.最后通过样品微观界面分析表明碳化硅直接键合的机理为界面氧化硅过渡层的形成及粘性流动与碳化硅和碳化硅的熔融直接键合.